【導讀】隨著科技的進步，CPU集成單元也隨之增加。現如今處理器設計的流行動向就是主要處理系統(ARM9)外帶輔助處理系統(ARM7)的設計。本文由博友收集整理，總結FPGA的系統架構組成和器件互聯問題。
主處理系統運行嵌入式操作系統，而輔助處理單元則專注某一些的專用領域的處理。這些系統的應用減少了FPGA作為CPU協處理單元的領域。因為畢竟FPGA相比ARM等流行嵌入式處理器價格要相對較高。
在這種情形下，FPGA的廠商似乎也感受到了壓力，不約而同推出了帶ARM硬核的FPGA，例如ALTERA的和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。這是即是互相競爭的需要，也是同眾多CPU廠商一掰手腕的杰作。即使在這兩種在趨勢下，經典的處理器+FPGA的設計仍然可看做為高性能嵌入式系統的典型配置。
經典的處理器+FPGA的配置中有多種的架構形式，即多個處理器單元,可能是ARM，MIPS,或者DSP，FPGA也可能是多片的配置，具體架構形式于具體處理的業(yè)務相關和目標設備的定位也相關。因為FPGA作為簡單業(yè)務流大數據量的處理形態(tài)仍然是CPU無可比擬的優(yōu)勢，FPGA內部可以開發(fā)大量業(yè)務數據并行，從而實現高速的數據處理。
在實現高速處理方面，CPU的另一個發(fā)展趨勢是多核，多核處理器也能處理大數據量的業(yè)務的并行，例如業(yè)界TERILA已推出64核的多核處理器，采用MIPS處理器，通過二維MASH網絡連接在一起，形成NOC的結構。在性能上已經和現有的高速FPGA的處理能力上不相上下。但是多核處理器的不得不說的問題就是，同一業(yè)務流分配到多核處理上后，如需交互，例如訪問同一資源，就會造成讀寫的緩存一致的問題，解決的這一問題的天然思路是加鎖，即在變量訪問上加自旋鎖，但是帶來的問題就是處理性能的急劇下降。而FPGA無論并行處理和同一變量的訪問，都可以變成工程師的設計水平的問題，沒有原理性的挑戰(zhàn)。
FPGA的幾種熱門應用
沒有一種器件可以滿足全人類的眾多需求，因此不用擔心FPGA沒有用武之地。必定是一系列產品的組合。下面主要介紹一下FPGA可以作為現今熱門場景的幾種應用。
（1）網絡存儲產品，特別是現在的NAS，或者SAN設備上，其存儲的時間、接口、安全性等都要求較高，而FPGA無論處理性能還是擴展接口的能力都使其在這一領域大有作為。現在高端FPGA單片就可以擴展32個或者更多4G或者8G的FC接口。并且其協議處理相對的固定，也使FPGA在這一領域有大量的可能應用。
（2）高速網絡設備，現在高速網絡設備10G、40/100G以太網設備領域，同樣FPGA也是關鍵的處理部件。特別是IPv6的商用化及大數據對于基礎設施的高要求，都使這一領域的處理應用會逐漸廣泛，這一領域通常是高速網絡處理器（NP）+FPGA的典型架構。
（3）4G等通信設備，對于新一代通信基站的信號處理，FPGA+DSP陣列的架構就是絕配。特別是在專用處理芯片面世之前，這樣的架構可以保證新一代通信基礎設施的迅速研發(fā)和部署。
沒有完美的架構，只有合適的組合，各種芯片和架構都是為應用服務，互相的滲透是趨勢，也是必然。FPGA相對處理器的可編程領域，仍然屬于小眾（雖然人數也不少）。但是正像一則笑話所說：大腿雖然比根命根子粗，但決沒有命子重要。這算開個玩笑。FPGA的實現為以后的芯片化留下了許多可能和想象空間，從而在應用大量爆發(fā)時通過芯片化來大幅降低成本，這這也正是其他可編程器件所不能比擬的。
FPGA與各組成器件之間互聯
系統架構確定，下一步就是FPGA與各組成器件之間互聯的問題了。通常來說，CPU和FPGA的互聯接口，主要取決兩個要素：
（1）CPU所支持的接口。
（2）交互的業(yè)務。
通常來說，FPGA一般支持與CPU連接的數字接口，其常用的有EMIF，PCI,PCI-E,UPP,網口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作為總線類接口，FPGA通常作為從設備與CPU連接，CPU作為主設備通過訪問直接映射的地址對FPGA進行訪問。根據是否有時鐘同步，通常總線訪問分為同步或異步的總線，根據CPU外部總線協議有所不同，但數據、地址、控制信號基本是總線訪問類型中總線信號所不能省略的。CPU手冊中會對信號定義和時序控制有著詳細的說明，FPGA需要根據這些詳細說明來實現相應的邏輯。同時CPU還可以對訪問時序進行設置，比如最快時鐘，甚至所需的最小建立時間和保持時間，這些一般CPU都可以進行設置，而這些具體參數，不僅影響FPGA的實現，也決定總線訪問的速度和效率。對于同步總線，只需要根據輸入時鐘進行采樣處理即可，但對于異步總線，則需要的對進入的控制信號進行同步化處理，通常處理方式是寄存兩拍，去掉毛刺。
因此用于采樣的時鐘就與CPU所設置的總線參數相關，如采樣時鐘較低，等控制信號穩(wěn)定后在譯碼后輸出，一個總線操作周期的時間就會相對較長，其處理的效率也相對較低；假如采樣時鐘過快，則對關鍵路徑又是一個挑戰(zhàn)，因此合理設定采樣頻率，便于接口的移植并接口的效率是設計的關鍵點和平衡點。
對于總線型的訪問來說，數據信號通常為三態(tài)信號，用于輸入和輸出。這種設計的目的是為了減少外部連線的數量。因為數據信號相對較多一般為8/16/32位數據總線。總線的訪問的優(yōu)勢是直接映射到系統的地址區(qū)間，訪問較為直觀。但相對傳輸速率不高，通常在幾十到100Mbps以下。
這種原因的造成主要為以下因素（1）受制總線訪問的間隔，總線操作周期等因素，總線訪問間隔即兩次訪問之間總線空閑的時間，而總線操作周期為從發(fā)起到相應的時間。（2）不支持雙向傳輸，并且FPGA需主動發(fā)起對CPU操作時，一般只有發(fā)起CPU的中斷處理一種方式。這種總線型操作特點，使其可以用作系統的管理操作，例如FPGA內部寄存器配置，運行過程中所需參數配置，以及數據流量較小的信息交互等操作。這些操作數據量和所需帶寬適中，可以應對普通的嵌入式系統的處理需求。
對于大數據流量的數據交互，一般采用專用的總線交互，其特點是，支持雙向傳輸，總線傳輸速率較快，例如GMII/RGMII、Upp、專用LVDS接口，及SERDES接口。專用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII,專用LVDS接口一般處理在1GbpS一下的業(yè)務形式，而PCI-E，根據其型號不同，支持幾Gbps的傳輸速率。而XAUI可支持到10Gbps的傳輸速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的業(yè)務傳輸。
對于不同所需的業(yè)務形式及處理器的類型，則可選擇相應的接口形式，來傳輸具體的業(yè)務。現今主流FPGA中都提供的各種接口的IP。選擇FPGA與各型CPU互聯接口，一般選擇主流的應用交互方案，特殊的接口缺少支撐IP，導致開發(fā)、調試、維護和兼容性的成本都較大，同時注意系統的持續(xù)演進的需要，如只在本項目使用一次，而下一項目或開發(fā)階段已摒棄此類接口，則需提前規(guī)劃技術路線。畢竟一個穩(wěn)定、高效的接口互聯是一個項目成功的基礎。
不是所有的嵌入式系統都需要“高大上”的接口形式，各類低速的穩(wěn)定接口也同樣在FPGA的接口互聯中有著重要的角色，其中UART、SPI、I2C等連接形式也非常的常見。畢竟，一個優(yōu)秀的設計不是“高大上”的堆積，而是對需求最小成本的滿足。適合的才是最美的。
相關閱讀：
盤點高性能汽車和FPGA共同點，不是一般的多
設計實例：基于FPGA的可穿戴設備的設計
FPGA掉電易失難題如何破？看芯片來破解
